張 嫻 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院

王 璐 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司

數(shù)碼發(fā)電機(jī)控制器的研制

張 嫻 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院

王 璐 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司

本文針對(duì)數(shù)碼發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，給出了一種自動(dòng)穩(wěn)壓半控整流電路和基于EG8010純正弦波逆變發(fā)生器逆變電路的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了一種變參數(shù)PID調(diào)節(jié)開(kāi)度的控制算法，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動(dòng)穩(wěn)壓和逆變供電。研制的數(shù)碼發(fā)電機(jī)控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

數(shù)碼發(fā)電機(jī)；半控整流；EG8010；逆變器；變參數(shù)PID

數(shù)碼發(fā)電機(jī)是一種將高轉(zhuǎn)速汽油機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為電能的便攜式發(fā)電設(shè)備，是近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上出現(xiàn)的新產(chǎn)品，它具有體積小、重量輕、污染小、噪音低的特點(diǎn)，特別適合戶外活動(dòng)、野外露營(yíng)、應(yīng)急供電、汽車旅行等功率較小的使用場(chǎng)合，一般功率都小于3kW。

1. 數(shù)碼發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

數(shù)碼發(fā)電機(jī)一般采用單缸四沖程或二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000轉(zhuǎn)每分鐘到6000轉(zhuǎn)每分鐘的范圍內(nèi)。三相永磁發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸帶動(dòng)下，輸出電壓在300V～500V之間，頻率在250Hz～650Hz左右。另外永磁發(fā)電機(jī)還會(huì)設(shè)計(jì)一組輔助供電的15～30V的交流電，供發(fā)電機(jī)控制器使用。

數(shù)碼發(fā)電機(jī)控制器由整流電路、逆變電路、油門(mén)控制電路組成。三相永磁發(fā)電機(jī)輸出的中頻電能先通過(guò)整流電路，整流并穩(wěn)壓至400V。再通過(guò)逆變電路逆變成220V/50Hz的交流電。而油門(mén)控制電路，會(huì)根據(jù)供電情況，實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度，提高燃油效率和供電響應(yīng)。

圖1 半控整流電路

2. 穩(wěn)壓電路和逆變電路設(shè)計(jì)

2.1 三相半控整流電路

整流電路是數(shù)碼發(fā)電機(jī)重要組成部分，是數(shù)碼發(fā)電機(jī)整機(jī)性能的重要保證。整流電路的實(shí)現(xiàn)方法，有三相不控整流、晶閘管半控整流、全控整流和PWM整流等。由于晶閘管半控整流具有成本低、控制范圍合適的特點(diǎn)，一般數(shù)碼發(fā)電機(jī)整流電路都會(huì)選擇半控整流的方式。

而半控整流在實(shí)際使用中，也有許多不同控制方法。如SCR數(shù)字觸發(fā)、晶閘管開(kāi)關(guān)控制等方式。本文采用的半控整流電路見(jiàn)圖1。

晶閘管T1、T2、T3和二極管D1、D2、D3組成三相半控電路，電壓檢測(cè)電路對(duì)輸出

的直流母線電壓進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路打開(kāi)晶閘管，反之關(guān)閉晶閘管。使晶閘管在截止和全開(kāi)之間切換，以達(dá)到控制電壓的目的。晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通需要在門(mén)極施加電壓，一般會(huì)采用隔離電源或者脈沖變壓器。本方案在半控整流的基礎(chǔ)上再增加了三個(gè)二極管D4、D5、D6，與D1、D2、D3組成一組不控整流。不控整流得到的電壓Ub通常大于半控整流得到的直流母線電壓，利用該壓差驅(qū)動(dòng)晶閘管。不需要使用脈沖變壓器或隔離電源，成本較其他方案更低，且簡(jiǎn)單可靠。

2.2 逆變電路

通過(guò)一種自動(dòng)穩(wěn)壓半控整流電路，將發(fā)電機(jī)線圈發(fā)出的三相中頻電壓，再通過(guò)。應(yīng)用了EG8010純正弦波逆變發(fā)生器芯片，搭建逆變后級(jí)。EG8010是一款數(shù)字化的、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，應(yīng)用于DC-DC-AC兩級(jí)功率變換架構(gòu)或DC-AC單級(jí)工頻變壓器升壓變換架構(gòu)，外接12MHz晶體振蕩器，能實(shí)現(xiàn)高精度、失真和諧波都很小的純正弦波50Hz或60Hz逆變器專用芯片。功率管驅(qū)動(dòng)電路選用IR2110，采用自舉升壓的驅(qū)動(dòng)方式。

圖2 變參數(shù)PID控制算法流程圖

3. 油門(mén)控制電路和控制算法

數(shù)碼發(fā)電機(jī)是通過(guò)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)向外供電的，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速直接影數(shù)碼發(fā)電機(jī)控制器的輸入電源，過(guò)高或過(guò)低的轉(zhuǎn)速都將影響發(fā)電機(jī)的工作效果。為了提高發(fā)電機(jī)的輸出效率和動(dòng)態(tài)性能，數(shù)碼發(fā)電機(jī)一般采用根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)控制油門(mén)開(kāi)度的控制方式。

3.1 轉(zhuǎn)速采集電路和油門(mén)執(zhí)行電路

永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)有一組輔助供電，該電源輸出15～30V的交流電。該電源的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。通過(guò)光耦隔離將交流電源轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，供主控單片機(jī)使用。發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度控制，選用了24BYJ24型兩相永磁步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選擇了LV8731，電路簡(jiǎn)單可靠。

3.2 油門(mén)調(diào)速控制設(shè)計(jì)

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，根據(jù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化，通過(guò)調(diào)節(jié)油門(mén)開(kāi)度來(lái)改變供油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在目標(biāo)速度的范圍內(nèi)。

PID控制是在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。PID控制屬于線性控制器，一旦控制對(duì)象的特性有變化，控制效果就會(huì)下降。由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在不同溫度、氣壓、負(fù)載下特性不同，而且隨著工作時(shí)長(zhǎng)變化，發(fā)動(dòng)機(jī)還會(huì)有磨損、熱衰的情況，原來(lái)設(shè)定的PID控制效果就會(huì)下降。而且發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于精度、材料、裝配的差異，每?jī)芍话l(fā)動(dòng)機(jī)的都會(huì)有差異。

本文采用了變參數(shù)PID控制的方法，在誤差大時(shí)，用一組系統(tǒng)快速反應(yīng)且超調(diào)量小的參數(shù)。在誤差小時(shí)，用一組控制精度高穩(wěn)態(tài)誤差小的參數(shù)。有Kp在誤差較小時(shí)的取值利于加快響應(yīng)速度，Ki在誤差較小時(shí)取值有利于減小凈差，誤差較大時(shí)的取值有利于減小超調(diào)，Kd的取值有利于提高系統(tǒng)對(duì)干擾的靈敏度。根據(jù)參數(shù)的配置，得到程序流程圖，見(jiàn)圖2。

4. 裝機(jī)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求制作了樣機(jī)，輸出為220V/50Hz，輸出功率1kW。整流電路濾波電容耐壓600V容量450uF，逆變電路平波電感3mH，平波電容2.2uF。圖3為測(cè)試樣機(jī)照片。輸出電壓波形穩(wěn)定、畸變小，本文設(shè)計(jì)的控制電路能夠滿足實(shí)際工程的需要。

圖3 裝機(jī)實(shí)驗(yàn)圖

5. 結(jié)論

發(fā)電機(jī)三相電壓經(jīng)過(guò)半控整流后獲得了較為理想的直流母線電壓，經(jīng)過(guò)EG8010搭建的逆變電路輸出工頻電壓。通過(guò)變參數(shù)PID控制油門(mén)開(kāi)度提高了系統(tǒng)響應(yīng)性能，使發(fā)電機(jī)控制電路達(dá)到了理想效果。

[1] 劉曉康,王婷,王超,等.數(shù)碼發(fā)電機(jī)逆變系統(tǒng)中的重復(fù)控制策略[J].電工電氣,2011(10):8-11

[2] 夏極,巫影,吳峰.柴油機(jī)變參數(shù)PID控制及半實(shí)物仿真[J].船海工程,2006[6]:66-67

[3] 李旭春,肖佰旺,馬樂(lè).數(shù)碼發(fā)電機(jī)整流開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)[J].電力電子,2012[2]:19-21

張嫻(1986.06-），女，江蘇徐州人，講師，研究方向：電力電子及故障診斷。

王璐(1986.03-)，男，浙江金華人，工程師，從事變電運(yùn)行工作。